(57)【要約】【課題】温度をほぼ一定に保持してＩＩＩ族窒化物結晶を結晶成長する結晶成長装置を提供する。【解決手段】坩堝１０は、金属Ｎａと金属Ｇａとの混合融液２９０を保持する。反応容器２０は、坩堝１０の周囲を覆う。配管３０は、坩堝１０の下側において反応容器２０に連結される。抑制／導入栓５０は、坩堝１０と反応容器２０との連結部よりも下側の配管３０内に固定され、ガスボンベ１４０から圧力調整器１３０を介して配管３０へ供給された窒素ガスを金属融液１９０を介して空間２３内へ供給する。支持装置２１０は、種結晶５を混合融液２９０に接触させる。詰め物２５０は、ヒーター６０，７０の外側に配置される。金属部材２６０は、反応容器２０、ヒーター６０，７０および詰め物２５０を囲む。【選択図】図１
2007137732.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応容器と、
前記反応容器の内部に配置され、アルカリ金属とＩＩＩ族金属とを含む混合融液を保持する坩堝と、
前記坩堝内の前記混合融液に接する容器空間へ窒素原料ガスを供給するガス供給装置と、
前記坩堝および前記反応容器を結晶成長温度に加熱する加熱装置と、
前記坩堝および前記反応容器を保温する保温装置とを備える結晶成長装置。
【請求項２】
前記保温装置は、前記反応容器を囲むとともに前記反応容器から遠ざかる方向への気体の流れを遮断する遮断部材を含む、請求項１に記載の結晶成長装置。
【請求項３】
前記遮断部材は、
前記反応容器の側面を覆う第１の遮断部材と、
前記坩堝の上側に配置された前記反応容器の蓋部を覆うとともに、前記第１の遮断部材の周囲に配置された第２の遮断部材とを含む、請求項２に記載の結晶成長装置。
【請求項４】
前記遮断部材は、
前記反応容器の側面を覆う第１の遮断部材と、
前記坩堝の上側に配置された前記反応容器の蓋部を覆うとともに、前記第１の遮断部材の周囲に配置された第２の遮断部材と、
前記第２の遮断部材を囲む第３の遮断部材とを含む、請求項２に記載の結晶成長装置。
【請求項５】
前記坩堝の上側に配置された前記反応容器の蓋部に連結されたベローズと、
一方端が前記ベローズを介して前記容器空間に挿入され、種結晶を前記一方端に支持する支持装置とをさらに備え、
前記遮断部材は、
前記反応容器の側面を覆う第１の遮断部材と、
前記蓋部と前記ベローズとの連結部を除く前記反応容器の蓋部を覆うとともに、前記第１の遮断部材の周囲に配置された第２の遮断部材とを含む、請求項２に記載の結晶成長装置。
【請求項６】
前記遮断部材は、前記ベローズおよび前記第２の遮断部材を覆う第３の遮断部材をさらに含む、請求項５に記載の結晶成長装置。
【請求項７】
前記加熱装置は、前記反応容器の側面に対向して設けられたヒーターを含み、
前記保温装置は、少なくとも前記ヒーターと前記第１の遮断部材との間に設けられた詰め物をさらに含む、請求項３から請求項６のいずれか１項に記載の結晶成長装置。
【請求項８】
前記反応容器および前記遮断部材を内部に含み、大気圧よりも高い圧力に設定された外部反応容器をさらに備え、
前記遮断部材は、前記反応容器と前記外部反応容器との間の空間に配置される、請求項２から請求項７のいずれか１項に記載の結晶成長装置。
【請求項９】
アルカリ金属とＩＩＩ族金属とを含む混合融液を保持する坩堝と前記坩堝を内部に含む反応容器とを備える結晶成長装置を用いてＩＩＩ族窒化物結晶を製造する製造方法であって、
不活性ガスまたは窒素ガス雰囲気中で前記アルカリ金属および前記ＩＩＩ族金属を前記反応容器内に入れる第１の工程と、
前記坩堝内の前記混合融液に接する容器空間に窒素原料ガスを充填する第２の工程と、
前記坩堝および前記反応容器を保温しながらＩＩＩ族窒化物結晶を結晶成長する第３の工程とを備える製造方法。
【請求項１０】
前記第３の工程は、前記坩堝および前記反応容器から熱が対流により逃げるのを防止しながらＩＩＩ族窒化物結晶を結晶成長する、請求項９に記載の製造方法。
【請求項１１】
前記結晶成長装置は、
前記反応容器の側面に対向して設けられた第１のヒーターと、
前記反応容器の底面に対向して設けられた第２のヒーターと、
少なくとも前記第１のヒーターの周囲に設けられるとともに前記反応容器から遠ざかる方向への気体の流れを遮断する遮断部材とをさらに備え、
前記製造方法の前記第３の工程は、
前記第１および第２のヒーターによって前記坩堝および前記反応容器を結晶成長温度に加熱する第１のサブ工程と、
所定の時間、前記坩堝および前記反応容器の温度を前記結晶成長温度に保持する第２のサブ工程と、
前記容器空間内の圧力が所定の圧力に保持されるように前記窒素原料ガスを前記反応容器内へ供給する第３のサブ工程とを含む、請求項１０に記載の製造方法。
【請求項１２】
前記遮断部材は、
前記第１のヒーターに対向して設けられた第１の遮断部材と、
前記坩堝の上側に配置された前記反応容器の蓋部と、前記第１の遮断部材とを覆う第２の遮断部材からなる、請求項１１に記載の製造方法。
【請求項１３】
前記遮断部材は、前記第２の遮断部材を囲む第３の遮断部材をさらに含む、請求項１２に記載の製造方法。
【請求項１４】
前記結晶成長装置は、
前記坩堝の上側に配置された前記反応容器の蓋部に連結されたベローズと、
一方端が前記ベローズを介して前記容器空間に挿入され、種結晶を前記一方端に支持する支持装置とをさらに備え、
前記遮断部材は、
前記第１のヒーターに対向して設けられた第１の遮断部材と、
前記蓋部と前記ベローズとの連結部を除く前記反応容器の蓋部を覆うとともに、前記第１の遮断部材の周囲に配置された第２の遮断部材とを含み、
前記製造方法は、前記種結晶を前記容器空間と前記混合融液との界面または前記混合融液中に保持する第４の工程をさらに備える、請求項１１に記載の製造方法。
【請求項１５】
前記結晶成長装置は、前記ベローズおよび前記第２の遮断部材を覆う第３の遮断部材をさらに備える、請求項１４に記載の製造方法。
【請求項１６】
前記結晶成長装置は、少なくとも前記第１のヒーターと前記第１の遮断部材との間に設けられた詰め物をさらに備える、請求項１２から請求項１５のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項１７】
前記結晶成長装置は、前記反応容器および前記遮断部材を内部に含み、大気圧よりも高い圧力に設定された外部反応容器をさらに備え、
前記遮断部材は、前記反応容器と前記外部反応容器との間の空間に配置される、請求項１１から請求項１６のいずれか１項に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ＩＩＩ族窒化物結晶を結晶成長する結晶成長装置およびＩＩＩ族窒化物結晶の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、紫外、紫〜青〜緑色光源として用いられているＩｎＧａＡｌＮ（ＩＩＩ族窒化物半導体）系デバイスは、その殆どがサファイアおよびシリコンカーバイド（ＳｉＣ）を基板とし、その基板上にＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相成長法）およびＭＢＥ法（分子線結晶成長法）等を用いて作製されている。
【０００３】
このように、サファイアおよびシリコンカーバイドを基板として用いた場合、熱膨張係数および格子定数が基板とＩＩＩ族窒化物半導体とでそれぞれ大きく異なっているため、ＩＩＩ族窒化物半導体内に多くの結晶欠陥が含まれることとなる。この結晶欠陥は、デバイス特性を低下させ、たとえば、発光デバイスにおいては、寿命が短い、動作電力が大きい、等の欠点に直接関係する。
【０００４】
また、サファイア基板は、絶縁体であるため、従来の発光デバイスのように基板側から電極を取り出すことが不可能であった。これにより、ＩＩＩ族窒化物半導体側から電極を取り出すことが必要となる。その結果、デバイスの面積が大きくなり、高コスト化を招くという不都合があった。そして、デバイスの面積が大きくなると、サファイア基板とＩＩＩ族窒化物半導体という異種材料の組み合わせに伴う基板の反りという新たな問題が発生する。
【０００５】
さらに、サファイア基板上に作製されたＩＩＩ族窒化物半導体デバイスは、劈開によるチップ分離が困難であり、レーザダイオード（ＬＤ）において必要とされる共振器端面を得ることは、容易ではない。このため、現在は、ドライエッチング、またはサファイア基板を厚さ１００μｍ以下まで研磨した後に劈開に近い形に分離し、共振器端面の形成を行なっている。したがって、従来のＬＤのように、共振器端面の形成とチップ分離とを単一工程で行なうことが困難であり、工程の複雑化によるコスト高を招いていた。
【０００６】
これらの問題を解決するため、サファイア基板上にＩＩＩ族窒化物半導体を選択的に横方向に成長させるなどの工夫をし、結晶欠陥を低減させることが提案された。これにより、結晶欠陥を低減させることが可能となったが、サファイア基板の絶縁性および上述した劈開の困難性に関する問題は、依然として残っている。
【０００７】
こうした問題を解決するためには、基板上に結晶成長する材料と同一である窒化ガリウム（ＧａＮ）基板が最適である。そのため、気相成長および融液成長等により、バルクＧａＮを結晶成長させる方法が、各種、提案されている。しかし、未だ高品質かつ実用的な大きさを有するＧａＮ基板は、実現されていない。
【０００８】
ＧａＮ基板を実現する１つの方法として、ナトリウム（Ｎａ）をフラックスとして用いたＧａＮ結晶成長方法が提案されている（特許文献１）。この方法は、アジ化ナトリウム（ＮａＮ３）と金属Ｇａとを原料として、ステンレス製の反応容器（容器内寸法：内径＝７．５ｍｍ、長さ＝１００ｍｍ）にＮａＮ３および金属Ｇａを窒素雰囲気中で封入し、その反応容器を６００〜８００℃の温度で２４〜１００時間保持することにより、ＧａＮ結晶が成長するものである。
【０００９】
この方法は、６００〜８００℃と比較的低温での結晶成長が可能であり、容器内圧力も高々１００ｋｇ／ｃｍ２程度と比較的低く、実用的な成長条件であることが特徴である。
【００１０】
そして、最近では、アルカリ金属とＩＩＩ族金属との混合融液と、窒素を含むＶ族原料とを反応させることにより、高品質なＩＩＩ族窒化物結晶が実現されている（特許文献２）。
【特許文献１】米国特許第５８６８８３７号明細書
【特許文献２】特開２００１−５８９００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、アルカリ金属とＩＩＩ族金属との混合融液と、窒素を含む窒素原料とを反応させてＩＩＩ族窒化物結晶を結晶成長させる従来の方法においては、ＩＩＩ族窒化物結晶の結晶成長中、装置の温度を結晶成長温度に保持することが困難であるという問題がある。
【００１２】
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、温度をほぼ一定に保持してＩＩＩ族窒化物結晶を結晶成長する結晶成長装置を提供することである。
【００１３】
また、この発明の別の目的は、温度をほぼ一定に保持してＩＩＩ族窒化物結晶を製造する製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この発明によれば結晶成長装置は、反応容器と、坩堝と、ガス供給装置と、加熱装置と、保温装置とを備える。坩堝は、反応容器の内部に配置され、アルカリ金属とＩＩＩ族金属とを含む混合融液を保持する。ガス供給装置は、坩堝内の混合融液に接する容器空間へ窒素原料ガスを供給する。加熱装置は、坩堝および反応容器を結晶成長温度に加熱する。保温装置は、坩堝および反応容器を保温する。
【００１５】
好ましくは、保温装置は、反応容器を囲むとともに反応容器から遠ざかる方向への気体の流れを遮断する遮断部材を含む。
【００１６】
好ましくは、遮断部材は、第１および第２の遮断部材を含む。第１の遮断部材は、反応容器の側面を覆う。第２の遮断部材は、坩堝の上側に配置された反応容器の蓋部を覆うとともに、第１の遮断部材の周囲に配置される。
【００１７】
好ましくは、遮断部材は、第１から第３の遮断部材を含む。第１の遮断部材は、反応容器の側面を覆う。第２の遮断部材は、坩堝の上側に配置された反応容器の蓋部を覆うとともに、第１の遮断部材の周囲に配置される。第３の遮断部材は、第２の遮断部材を囲む。
【００１８】
好ましくは、結晶成長装置は、ベローズと、支持装置とをさらに備える。ベローズは、坩堝の上側に配置された反応容器の蓋部に連結される。支持装置は、一方端がベローズを介して容器空間に挿入され、種結晶を一方端に支持する。遮断部材は、第１および第２の遮断部材を含む。第１の遮断部材は、反応容器の側面を覆う。第２の遮断部材は、蓋部とベローズとの連結部を除く反応容器の蓋部を覆うとともに、第１の遮断部材の周囲に配置される。
【００１９】
好ましくは、遮断部材は、第３の遮断部材をさらに含む。第３の遮断部材は、ベローズおよび第２の遮断部材を覆う。
【００２０】
好ましくは、加熱装置は、ヒーターを含む。ヒーターは、反応容器の側面に対向して設けられる。保温装置は、詰め物をさらに含む。詰め物は、少なくともヒーターと第１の金属部材との間に設けられる。
【００２１】
好ましくは、結晶成長装置は、外部反応容器をさらに備える。外部反応容器は、反応容器および遮断部材を内部に含み、大気圧よりも高い圧力に設定される。遮断部材は、反応容器と外部反応容器との間の空間に配置される。
【００２２】
また、この発明によれば、製造方法は、アルカリ金属とＩＩＩ族金属とを含む混合融液を保持する坩堝と坩堝を内部に含む反応容器とを備える結晶成長装置を用いてＩＩＩ族窒化物結晶を製造する製造方法であって、不活性ガスまたは窒素ガス雰囲気中でアルカリ金属およびＩＩＩ族金属を反応容器内に入れる第１の工程と、坩堝内の混合融液に接する容器空間に窒素原料ガスを充填する第２の工程と、坩堝および反応容器を保温しながらＩＩＩ族窒化物結晶を結晶成長する第３の工程とを備える。
【００２３】
好ましくは、第３の工程は、坩堝および反応容器から熱が対流により逃げるのを防止しながらＩＩＩ族窒化物結晶を結晶成長する。
【００２４】
好ましくは、結晶成長装置は、第１および第２のヒーターと、遮断部材とをさらに備える。第１のヒーターは、反応容器の側面に対向して設けられる。第２のヒーターは、反応容器の底面に対向して設けられる。遮断部材は、少なくとも第１のヒーターの周囲に設けられるとともに反応容器から遠ざかる方向への気体の流れを遮断する。
【００２５】
製造方法の第３の工程は、第１および第２のヒーターによって坩堝および反応容器を結晶成長温度に加熱する第１のサブ工程と、所定の時間、坩堝および反応容器の温度を結晶成長温度に保持する第２のサブ工程と、容器空間内の圧力が所定の圧力に保持されるように窒素原料ガスを反応容器内へ供給する第３のサブ工程とを含む。
【００２６】
好ましくは、遮断部材は、第１および第２の遮断部材からなる。第１の遮断部材は、第１のヒーターに対向して設けられる。第２の遮断部材は、坩堝の上側に配置された反応容器の蓋部と、第１の遮断部材とを覆う。
【００２７】
好ましくは、遮断部材は、第３の遮断部材をさらに含む。第３の遮断部材は、第２の遮断部材を囲む。
【００２８】
好ましくは、結晶成長装置は、ベローズと、支持装置とをさらに備える。ベローズは、坩堝の上側に配置された反応容器の蓋部に連結される。支持装置は、一方端がベローズを介して容器空間に挿入され、種結晶を一方端に支持する。遮断部材は、第１および第２の遮断部材を含む。第１の遮断部材は、第１のヒーターに対向して設けられる。第２の遮断部材は、蓋部とベローズとの連結部を除く反応容器の蓋部を覆うとともに、第１の遮断部材の周囲に配置される。製造方法は、種結晶を容器空間と混合融液との界面または混合融液中に保持する第４の工程をさらに備える。
【００２９】
好ましくは、結晶成長装置は、第３の遮断部材をさらに備える、第３の遮断部材は、ベローズおよび第２の遮断部材を覆う。
【００３０】
好ましくは、結晶成長装置は、詰め物をさらに備える。詰め物は、少なくとも第１のヒーターと第１の遮断部材との間に設けられる。
【００３１】
好ましくは、結晶成長装置は、外部反応容器をさらに備える。外部反応容器は、反応容器および遮断部材を内部に含み、大気圧よりも高い圧力に設定される。遮断部材は、反応容器と外部反応容器との間の空間に配置される。
【発明の効果】
【００３２】
この発明においては、坩堝および反応容器が保温された状態でＩＩＩ族窒化物結晶が結晶成長される。そして、この発明においては、好ましくは、遮断部材によって対流による熱の逃げを防止することによって坩堝および反応容器を保温する。
【００３３】
したがって、この発明によれば、坩堝内の温度がほぼ一定に保持された状態でＩＩＩ族窒化物結晶を製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００３５】
［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による結晶成長装置の概略断面図である。図１を参照して、この発明の実施の形態１による結晶成長装置１００は、坩堝１０と、反応容器２０と、配管３０と、ベローズ４０と、抑制／導入栓５０と、ヒーター６０，７０と、ガス供給管９０，１１０と、バルブ１２０，１２１，１６０と、圧力調整器１３０と、ガスボンベ１４０と、排気管１５０と、真空ポンプ１７０と、圧力センサー１８０と、金属融液１９０と、支持装置２１０と、上下機構２２０と、振動印加装置２３０と、振動検出装置２４０と、詰め物２５０と、金属部材２６０とを備える。
【００３６】
坩堝１０は、略円柱形状を有し、ボロンナイトライド（ＢＮ）からなる。反応容器２０は、坩堝１０と所定の間隔を隔てて坩堝１０の周囲に配置される。そして、反応容器２０は、本体部２１と、蓋部２２と、支持部２４とからなる。本体部２１、蓋部２２および支持部２４の各々は、ＳＵＳ３１６Ｌからなり、本体部２１と蓋部２２との間は、メタルオーリングによってシールされる。したがって、後述する混合融液２９０が外部へ漏洩することがない。また、支持部２４は、本体部２１の外周面２１Ａのうち、蓋部２２に近い部分に設けられている。
【００３７】
配管３０は、重力方向ＤＲ１において、坩堝１０の下側で反応容器２０に連結される。ベローズ４０は、重力方向ＤＲ１において、坩堝１０の上側で反応容器２０に連結される。
【００３８】
抑制／導入栓５０は、たとえば、金属およびセラミック等からなり、反応容器２０と配管３０との連結部よりも下側の配管３０内に保持される。
【００３９】
ヒーター６０は、反応容器２０の外周面２０Ａを囲むように配置される。ヒーター７０は、反応容器２０の底面２０Ｂに対向して配置される。
【００４０】
ガス供給管９０は、一方端がバルブ１２０を介して反応容器２０に連結され、他方端が圧力調整器１３０を介してガスボンベ１４０に連結される。ガス供給管１１０は、一方端がバルブ１２１を介して配管３０に連結され、他方端がガス供給管９０に連結される。
【００４１】
バルブ１２０は、反応容器２０の近傍でガス供給管９０に装着される。バルブ１２１は、配管３０の近傍でガス供給管１１０に装着される。圧力調整器１３０は、ガスボンベ１４０の近傍でガス供給管９０に装着される。ガスボンベ１４０は、ガス供給管９０に連結される。
【００４２】
排気管１５０は、一方端がバルブ１６０を介して反応容器２０に連結され、他方端が真空ポンプ１７０に連結される。バルブ１６０は、反応容器２０の近傍で排気管１５０に装着される。真空ポンプ１７０は、排気管１５０に連結される。
【００４３】
圧力センサー１８０は、反応容器２０に取り付けられる。金属融液１９０は、金属ナトリウム（金属Ｎａ）融液からなり、坩堝１０と反応容器２０との間および配管３０内に保持される。
【００４４】
支持装置２１０は、円柱形状からなり、一部がベローズ４０を介して反応容器２０の空間２３内へ挿入される。上下機構２２０は、ベローズ４０よりも上側において支持装置２１０に取り付けられる。
【００４５】
詰め物２５０は、ヒーター６０，７０の外側に配置される。金属部材２６０は、ＳＵＳ３１６Ｌからなり、中空の円筒形状を有する。そして、金属部材２６０は、一方端が反応容器２０の支持部２４によって支持されて詰め物２５０の外側に配置され、他方端が開口になっている。そして、他方端は、ヒーター７０および詰め物２５０よりも下側に位置する。その結果、金属部材２６０は、反応容器２０、ヒーター６０，７０および詰め物２５０を囲む。
【００４６】
なお、金属部材２６０は、重力方向ＤＲ１に割られた２つの部材からなり、その２つの部材を反応容器２０の径方向から合わせることによって設置される。
【００４７】
坩堝１０は、金属Ｎａと、金属ガリウム（金属Ｇａ）とを含む混合融液２９０を保持する。反応容器２０は、坩堝１０の周囲を覆う。配管３０は、ガス供給管９０，１１０を介してガスボンベ１４０から供給された窒素ガス（Ｎ２ガス）を抑制／導入栓５０に導く。
【００４８】
ベローズ４０は、支持装置２１０を保持するとともに、反応容器２０の内部と外部とを遮断する。また、ベローズ４０は、支持装置２１０の重力方向ＤＲ１への移動に伴って重力方向ＤＲ１に伸縮する。
【００４９】
抑制／導入栓５０は、配管３０の内壁との間に数十μｍの孔が形成されるように外周面に凹凸構造を有し、配管３０内の窒素ガスを金属融液１９０の方向へ通過させ、窒素ガスを金属融液１９０を介して空間２３内へ供給する。また、抑制／導入栓５０は、数十μｍの孔の表面張力により金属融液１９０を坩堝１０と反応容器２０との間および配管３０内に保持する。
【００５０】
ヒーター６０は、反応容器２０の外周面２０Ａから坩堝１０および反応容器２０を結晶成長温度に加熱する。ヒーター７０は、反応容器２０の底面２０Ｂから坩堝１０および反応容器２０を結晶成長温度に加熱する。
【００５１】
ガス供給管９０は、ガスボンベ１４０から圧力調整器１３０を介して供給された窒素ガスをバルブ１２０を介して反応容器２０内へ供給する。ガス供給管１１０は、ガスボンベ１４０から圧力調整器１３０を介して供給された窒素ガスをバルブ１２１を介して配管３０内へ供給する。
【００５２】
バルブ１２０は、ガス供給管９０内の窒素ガスを反応容器２０内へ供給し、または窒素ガスの反応容器２０内への供給を停止する。バルブ１２１は、ガス供給管１１０内の窒素ガスを配管３０へ供給し、または窒素ガスの配管３０への供給を停止する。圧力調整器１３０は、ガスボンベ１４０からの窒素ガスを所定の圧力にしてガス供給管９０，１１０に供給する。
【００５３】
ガスボンベ１４０は、窒素ガスを保持する。排気管１５０は、反応容器２０内の気体を真空ポンプ１７０へ通過させる。バルブ１６０は、反応容器２０内と排気管１５０とを空間的に繋げ、または反応容器２０内と排気管１５０とを空間的に遮断する。真空ポンプ１７０は、排気管１５０およびバルブ１６０を介して反応容器２０内の真空引きを行なう。
【００５４】
圧力センサー１８０は、反応容器２０内の圧力を検出する。金属融液１９０は、抑制／導入栓５０を介して導入された窒素ガスを空間２３へ供給する。
【００５５】
支持装置２１０は、反応容器２０内に挿入された一方端にＧａＮ結晶からなる種結晶５を支持する。上下機構２２０は、振動検出装置２４０からの振動検出信号ＢＤＳに応じて、後述する方法によって、種結晶５が空間２３と混合融液２９０との気液界面３に接するように支持装置２１０を上下する。
【００５６】
振動印加装置２３０は、たとえば、圧電素子からなり、所定の周波数を有する振動を支持装置２１０に印加する。振動検出装置２４０は、たとえば、加速度ピックアップからなり、支持装置２１０の振動を検出するとともに、支持装置２１０の振動を示す振動検出信号ＢＤＳを上下機構２２０へ出力する。
【００５７】
詰め物２５０は、反応容器２０およびヒーター６０，７０からの熱が外部へ逃げるのを防止するとともに、熱が外部から反応容器２０へ入るのを防止する。金属部材２６０は、坩堝１０および反応容器２０から熱が対流により逃げるのを防止する。
【００５８】
図２は、図１に示す抑制／導入栓５０の斜視図である。図２を参照して、抑制／導入栓５０は、栓５１と、凸部５２とを含む。栓５１は、略円柱形状からなる。凸部５２は、略半円形の断面形状を有し、栓５１の外周面に栓５１の長さ方向ＤＲ２に沿って形成される。
【００５９】
図３は、抑制／導入栓５０の配管３０への取付状態を示す平面図である。図３を参照して、凸部５２は、栓５１の円周方向に複数個形成され、複数の凸部５２は、数十μｍの間隔ｄで形成される。また、凸部５２は、数十μｍの高さＨを有する。抑制／導入栓５０の複数の凸部５２は、配管３０の内壁３０Ａに接する。これにより、抑制／導入栓５０は、配管３０の内壁３０Ａに嵌合する。
【００６０】
凸部５２が数十μｍの高さＨを有し、数十μｍの間隔ｄで栓５１の外周面に配置される結果、抑制／導入栓５０が配管３０の内壁３０Ａに嵌合した状態では、抑制／導入栓５０と配管３０の内壁３０Ａとの間に、直径が略数十μｍである空隙５３が複数個形成される。
【００６１】
この空隙５３は、栓５１の長さ方向ＤＲ２に窒素ガスを通過させるとともに、金属融液１９０を金属融液１９０の表面張力によって保持し、金属融液１９０が栓５１の長さ方向ＤＲ２に通過するのを阻止する。
【００６２】
図４は、図１に示す支持装置２１０の拡大図である。図４を参照して、支持装置２１０は、円柱部材２１１と、固定部材２１２，２１３とを含む。円柱部材２１１は、略円形の断面形状を有する。固定部材２１２は、略Ｌ字形状の断面形状を有し、円柱部材２１１の一方端２１１１側において円柱部材２１１の外周面２１１Ａおよび底面２１１Ｂに固定される。また、固定部材２１３は、略Ｌ字形状の断面形状を有し、円柱部材２１１の一方端２１１１側において固定部材２１２と対称に配置されるように円柱部材２１１の外周面２１１Ａおよび底面２１１Ｂに固定される。その結果、円柱部材２１１および固定部材２１２，２１３によって囲まれた領域には、空間部２１４が形成される（図４の（ａ）参照）。
【００６３】
そして、種結晶５は、空間部２１４に嵌合する形状を有し、空間部２１４に嵌合することにより支持装置２１０によって支持される。この場合、種結晶５は、円柱部材２１１の底面２１１Ｂに接する（図４の（ｂ）参照）。
【００６４】
図５は、図１に示す上下機構２２０の構成を示す概略図である。図５を参照して、上下機構２２０は、凹凸部材２２１と、歯車２２２と、軸部材２２３と、モータ２２４と、制御部２２５とを含む。
【００６５】
凹凸部材２２１は、略三角形状の断面形状からなり、円柱部材２１１の外周面２１１Ａに固定される。歯車２２２は、軸部材２２３の一方端に固定され、凹凸部材２２１と噛み合う。軸部材２２３は、その一方端が歯車２２２に連結され、他方端がモータ２２４のシャフト（図示せず）に連結される。
【００６６】
モータ２２４は、制御部２２５からの制御に従って歯車２２２を矢印２２６または２２７の方向へ回転させる。制御部２２５は、振動検出装置２４０からの振動検出信号ＢＤＳに基づいて、歯車２２２を矢印２２６または２２７の方向へ回転させるようにモータ２２４を制御する。
【００６７】
歯車２２２が矢印２２６の方向へ回転すれば、支持装置２１０は、重力方向ＤＲ１において上方向へ移動し、歯車２２２が矢印２２７の方向へ回転すれば、支持装置２１０は、重力方向ＤＲ１において下方向へ移動する。
【００６８】
したがって、歯車２２２を矢印２２６または２２７の方向へ回転させることは、支持装置２１０を重力方向ＤＲ１において上下させることに相当する。
【００６９】
図６は、振動検出信号ＢＤＳのタイミングチャートである。図６を参照して、振動検出装置２４０によって検出される振動検出信号ＢＤＳは、種結晶５が混合融液２９０に接していないとき、信号成分ＳＳ１からなり、種結晶５が混合融液２９０に接しているとき、信号成分ＳＳ２からなり、種結晶５が混合融液２９０中に浸漬されているとき、信号成分ＳＳ３からなる。
【００７０】
種結晶５が混合融液２９０に接していないとき、種結晶５は、振動印加装置２３０により印加された振動によって大きく振動するので、振動検出信号ＢＤＳは、振幅が相対的に大きい信号成分ＳＳ１からなる。一方、種結晶５が混合融液２９０に接しているとき、種結晶５は、振動印加装置２３０から振動が印加されても、混合融液２９０の粘性によって大きく振動できないので、振動検出信号ＢＤＳは、振幅が相対的に小さい信号成分ＳＳ２からなる。また、種結晶５が混合融液２９０中に浸漬されているとき、種結晶５は、混合融液２９０の粘性によってさらに振動し難くなるので、振動検出信号ＢＤＳは、振幅が信号成分ＳＳ２よりも小さい信号成分ＳＳ３になる。
【００７１】
再び、図５を参照して、制御部２２５は、振動検出装置２４０から振動検出信号ＢＤＳを受けると、振動検出信号ＢＤＳの信号成分を検出する。そして、制御部２２５は、その検出した信号成分が信号成分ＳＳ１からなるとき、振動検出信号ＢＤＳの信号成分が信号成分ＳＳ２になるまで、支持装置２１０を重力方向ＤＲ１において降下させるようにモータ２２４を制御する。
【００７２】
より具体的には、制御部２２５は、歯車２２２を矢印２２７の方向へ回転させるようにモータ２２４を制御し、モータ２２４は、制御部２２５からの制御に従って歯車２２２を軸部材２２３を介して矢印２２７の方向へ回転させる。これによって、支持装置２１０は、重力方向ＤＲ１において下方向へ移動する。
【００７３】
そして、制御部２２５は、振動検出装置２４０から受ける振動検出信号ＢＤＳの信号成分が信号成分ＳＳ１から信号成分ＳＳ２へ切換わると、歯車２２２の回転を停止するようにモータ２２４を制御し、モータ２２４は、制御部２２５からの制御に従って歯車２２２の回転を停止させる。これによって、支持装置２１０は、移動を停止し、種結晶５を気液界面３に保持する。
【００７４】
一方、制御部２２５は、信号成分ＳＳ２からなる振動検出信号ＢＤＳを振動検出装置２４０から受けたとき、支持装置２１０の移動を停止するようにモータ２２４を制御する。この場合は、種結晶５が混合融液２９０に既に接触しているからである。
【００７５】
このように、上下機構２２０は、振動検出装置２４０が検出する振動検出信号ＢＤＳに基づいて、種結晶５が混合融液２９０に接するように支持装置２１０を重力方向ＤＲ１に移動させる。
【００７６】
図７は、ＧａＮ結晶の結晶成長における窒素ガス圧と結晶成長温度との関係を示す図である。図７において、横軸は、結晶成長温度を表し、縦軸は、窒素ガス圧を表す。図７を参照して、領域ＲＥＧ１は、ＧａＮ結晶が溶解する領域であり、領域ＲＥＧ２は、新たな核の発生を抑制して種結晶からＧａＮ結晶が結晶成長する領域であり、領域ＲＥＧ３は、多くの核が発生する多核発生領域である。そして、領域ＲＥＧ２におけるＧａＮ結晶は、ｃ軸（＜０００１＞）方向に成長した柱状形状からなる。
【００７７】
この発明においては、領域ＲＥＧ２に含まれる窒素ガス圧および結晶成長温度を用いて種結晶５からＧａＮ結晶を結晶成長させる。
【００７８】
なお、種結晶５は、結晶成長装置１００において種結晶５を用いずに結晶成長させたＧａＮ結晶からなる。したがって、種結晶５を作製する場合、領域ＲＥＧ２内における窒素ガス圧および結晶成長温度を用いて坩堝１０内の底面および側壁に多くのＧａＮ結晶を成長させる。
【００７９】
そして、結晶成長させた多くのＧａＮ結晶の中から図４に示す形状のＧａＮ結晶を切り出して種結晶５を作製する。したがって、種結晶５の突出部５Ａ（図４の（ｂ）参照）は、ｃ軸（＜０００１＞）方向に成長したＧａＮ結晶からなる。
【００８０】
作製した種結晶５は、上述した方法によって支持装置２１０の空間部２１４に嵌合されて支持装置２１０に固定される。
【００８１】
図８は、坩堝１０および反応容器２０の温度のタイミングチャートである。また、図９は、図８に示す２つのタイミングｔ１，ｔ２間における坩堝１０および反応容器２０内の状態を示す模式図である。さらに、図１０は、図８に示す２つのタイミングｔ２，ｔ３間における坩堝１０および反応容器２０内の状態を示す模式図である。
【００８２】
なお、図８において、直線ｋ１は、坩堝１０および反応容器２０の温度を示す。
【００８３】
図８を参照して、ヒーター６０，７０は、直線ｋ１に従って温度が上昇し、かつ、８００℃に保持されるように坩堝１０および反応容器２０を加熱する。ヒーター６０，７０が坩堝１０および反応容器２０を加熱し始めると、坩堝１０および反応容器２０の温度は、上昇し始め、タイミングｔ１において９８℃に達し、タイミングｔ２で８００℃に達する。
【００８４】
そうすると、坩堝１０と反応容器２０との間に保持された金属Ｎａは溶け、金属融液１９０（＝金属Ｎａ融液）になり、坩堝１０内に保持された金属Ｎａおよび金属Ｇａも溶け、混合融液２９０になる。そして、坩堝１０および反応容器２０の温度が上昇するに伴って、金属Ｎａが金属融液１９０および混合融液２９０から空間２３へ蒸発する。その結果、空間２３内には、窒素ガス４および金属Ｎａ蒸気７が混在し、この窒素ガス４および金属Ｎａ蒸気７は、金属融液１９０（＝金属Ｎａ融液）および抑制／導入栓５０を介して配管３０内の空間３１へ拡散することができず、空間２３内に閉じ込められる（図９参照）。
【００８５】
また、坩堝１０および反応容器２０の温度が９８℃に達するタイミングｔ１から８００℃に達するタイミングｔ２までの間に、上下機構２２０は、振動検出装置２４０からの振動検出信号ＢＤＳに基づいて、上述した方法によって支持装置２１０を上下し、種結晶５を混合融液２９０に接触させる。
【００８６】
そして、坩堝１０および反応容器２０の温度が８００℃に達すると、空間２３内の窒素ガス４は、混合融液２９０中の金属Ｎａを媒介として混合融液２９０中に取り込まれる。この場合、混合融液２９０中の窒素濃度またはＧａｘＮｙ（ｘ，ｙは実数）の濃度は、空間２３と混合融液２９０との気液界面３付近において最も高いため、ＧａＮ結晶が気液界面３に接している種結晶５から成長し始める。なお、以下においては、ＧａｘＮｙを「ＩＩＩ族窒化物」と言い、ＧａｘＮｙの濃度を「ＩＩＩ族窒化物濃度」と言う。そして、この発明においては、「ＩＩＩ族」とは、ＩＵＰＡＣ（国際純正応用化学連合）方式の元素周期表におけるＩＩＩＢ族を言う。
【００８７】
種結晶５からのＧａＮ結晶の結晶成長が進行し、空間２３における窒素ガスが減少すると、空間２３内の圧力Ｐ１は、配管３０の空間３１内の圧力Ｐ２よりも低くなる（Ｐ１＜Ｐ２）。そうすると、抑制／導入栓５０は、配管３０の空間３１内の窒素ガスを金属融液１９０へ供給する。
【００８８】
金属融液１９０へ供給された窒素ガスは、金属融液１９０中を泡１９１となって移動し、空間２３へ供給される。そして、空間２３内の圧力Ｐ１が配管３０の空間３１内の圧力Ｐ２に略等しくなると、空間３１から空間２３への窒素ガスの供給が停止される。
【００８９】
このように、空間２３内の圧力Ｐ１がほぼ一定に保持されるように、窒素ガスが金属融液１９０を介して空間２３へ供給されながら、ＧａＮ結晶６が種結晶５から成長する。
【００９０】
また、種結晶５からの結晶成長が進行すると、混合融液２９０中の金属Ｇａが減少し、気液界面３が低下する。そうすると、上下機構２２０は、上述した方法によって、種結晶５または種結晶５から成長したＧａＮ結晶６が混合融液２９０に接触するように支持装置２１０を降下させる（図１０参照）。
【００９１】
そして、坩堝１０および反応容器２０の温度が８００℃に保持されているタイミングｔ２からタイミングｔ３までの間、詰め物２５０は、詰め物２５０の内側の加熱装置６０から詰め物２５０の外側への熱の逃げを遮断し、金属部材２６０は、熱が対流により反応容器２０から逃げるのを防止する。すなわち、坩堝１０および反応容器２０は、タイミングｔ２からタイミングｔ３までの間、詰め物２５０および金属部材２６０によって保温される。
【００９２】
このように、結晶成長装置１００は、金属部材２６０によって反応容器２０、ヒーター６０，７０および詰め物２５０を覆った状態でＧａＮ結晶を結晶成長する。すなわち、結晶成長装置１００は、熱が坩堝１０および反応容器２０から対流により逃げるのを金属部材２６０によって防止しながらＧａＮ結晶を結晶成長する。つまり、結晶成長装置１００は、坩堝１０および反応容器２０を金属部材２６０によって保温しながらＧａＮ結晶を結晶成長する。
【００９３】
したがって、ヒーター６０，７０によって加熱された坩堝１０および反応容器２０の温度を、ＧａＮ結晶の結晶成長中、結晶成長温度に保持できる。本フラックス法のような高圧中では、金属部材２６０や断熱材が無い場合、対流による放熱が大きくなり、これまでは、安定的に反応容器２０内を均一な結晶成長温度にすることが出来なかった。本発明によりそれが可能となった。
【００９４】
また、結晶成長装置１００においては、抑制／導入栓５０および金属融液１９０（＝金属Ｎａ融液）によって窒素ガス４および金属Ｎａ蒸気７を坩堝１０および反応容器２０内の空間２３に閉じ込めてＧａＮ結晶を成長させる。
【００９５】
つまり、金属融液１９０および混合融液２９０から蒸発した金属Ｎａが外部へ拡散するのを抑制／導入栓５０および金属融液１９０（＝金属Ｎａ融液）によって防止してＧａＮ結晶を成長させる。
【００９６】
したがって、金属Ｎａが混合融液２９０から空間２３へ蒸発するのを抑制して大きなサイズを有するＧａＮ結晶を製造できる。
【００９７】
図１１は、ＧａＮ結晶の製造方法を説明するための実施の形態１におけるフローチャートである。図１１を参照して、一連の動作が開始されると、Ａｒガスが充填されたグローブボックス内へ坩堝１０および反応容器２０を入れる。そして、Ａｒガス雰囲気中で金属Ｎａおよび金属Ｇａを坩堝１０に入れる（ステップＳ１）。この場合、金属Ｎａおよび金属Ｇａを５：５のモル比率で坩堝１０に入れる。なお、Ａｒガスは、水分量が１０ｐｐｍ以下であり、かつ、酸素量が１０ｐｐｍ以下であるＡｒガスである（以下、同じ）。
【００９８】
その後、Ａｒガス雰囲気中で金属Ｎａを坩堝１０と反応容器２０との間に入れる（ステップＳ２）。そして、Ａｒガス雰囲気中で種結晶５を坩堝１０内の金属Ｎａおよび金属Ｇａの上側に設定する。より具体的には、種結晶５を支持装置２１０の一方端２１１１側に形成された空間２１４へ嵌合することによって（図４の（ｂ）参照）、種結晶５を坩堝１０内の金属Ｎａおよび金属Ｇａの上側に設定する。
【００９９】
引続いて、坩堝１０および反応容器２０内にＡｒガスを充填した状態で坩堝１０および反応容器２０を結晶成長装置１００に設定する。
【０１００】
そして、バルブ１６０を開け、真空ポンプ１７０によって坩堝１０および反応容器２０内に充填されたＡｒガスを排気する。真空ポンプ１７０によって坩堝１０および反応容器２０内を所定の圧力（０．１３３Ｐａ以下）まで真空引きした後、バルブ１６０を閉じ、バルブ１２０，１２１を開けて窒素ガスをガスボンベ１４０からガス供給管９０，１１０を介して坩堝１０および反応容器２０内へ充填する。この場合、圧力調整器１３０によって坩堝１０および反応容器２０内の圧力が約０．１ＭＰａになるように坩堝１０および反応容器２０内へ窒素ガスを供給する。
【０１０１】
そして、圧力センサー１８０によって検出した反応容器２０内の圧力が０．１ＭＰａ程度になると、バルブ１２０，１２１を閉じ、バルブ１６０を開けて真空ポンプ１７０によって坩堝１０および反応容器２０内に充填された窒素ガスを排気する。この場合も、真空ポンプ１７０によって坩堝１０および反応容器２０内を所定の圧力（０．１３３Ｐａ以下）まで真空引きする。
【０１０２】
そして、この坩堝１０および反応容器２０内の真空引きと坩堝１０および反応容器２０への窒素ガスの充填とを数回繰り返し行なう。
【０１０３】
その後、真空ポンプ１７０によって坩堝１０および反応容器２０内を所定の圧力まで真空引きした後、バルブ１６０を閉じ、バルブ１２０，１２１を開けて圧力調整器１３０によって坩堝１０および反応容器２０内の圧力が１．０１〜５．０５ＭＰａの範囲になるように坩堝１０および反応容器２０内へ窒素ガスを充填する（ステップＳ３）。
【０１０４】
この場合、坩堝１０と反応容器２０との間の金属Ｎａは、固体であるので、窒素ガスは、配管３０の空間３１からも抑制／導入栓５０を介して反応容器２０内の空間２３へ供給される。そして、圧力センサー１８０によって検出した空間２３内の圧力が１．０１〜５．０５ＭＰａになった時点でバルブ１２０が閉じられる。
【０１０５】
そうすると、坩堝１０および反応容器２０から熱が対流によって逃げるのを防止しながらＧａＮ結晶を結晶成長する（ステップＳ４）。そして、一連の動作が終了する。
【０１０６】
図１２は、図１１に示すフローチャートのステップＳ４の詳細な動作を説明するためのフローチャートである。図１１に示すステップＳ４の詳細な動作は、金属部材２６０によって坩堝１０、反応容器２０、ヒーター６０，７０および詰め物２５０を覆った状態で以下の動作を行なうことにより実現される。
【０１０７】
図１１に示すステップＳ３の後、ヒーター６０，７０によって坩堝１０および反応容器２０を８００℃に加熱する（ステップＳ４１）。この場合、坩堝１０と反応容器２０との間に保持された金属Ｎａは、融点が約９８℃であるので、坩堝１０および反応容器２０が８００℃に加熱される過程で溶融され、金属融液１９０になる。そして、２つの気液界面１，２が発生する（図１参照）。気液界面１は、金属融液１９０と反応容器２０内の空間２３との界面に位置し、気液界面２は、金属融液１９０と抑制／導入栓５０との界面に位置する。
【０１０８】
また、坩堝１０および反応容器２０の温度が８００℃に昇温された時点で、抑制／導入栓５０の温度は、１５０℃である。従って、気液界面２における金属融液１９０（＝金属Ｎａ融液）の蒸気圧は、７．６×１０−４Ｐａであり、金属融液１９０（＝金属Ｎａ融液）は、抑制／導入栓５０の空隙５３を介して殆ど蒸発しない。その結果、金属融液１９０（＝金属Ｎａ融液）は、殆ど減少しない。
【０１０９】
抑制／導入栓５０の温度が３００℃または４００℃に昇温されても、金属融液１９０（＝金属Ｎａ融液）の蒸気圧は、それぞれ、１．８Ｐａおよび４７．５Ｐａであり、この程度の蒸気圧では、金属融液１９０（＝金属Ｎａ融液）の減少を殆ど無視できる。
【０１１０】
このように、結晶成長装置１００においては、抑制／導入栓５０の温度は、金属融液１９０（＝金属Ｎａ融液）が蒸発によって実質的に減少しない温度に設定される。
【０１１１】
さらに、坩堝１０および反応容器２０が８００℃に加熱される過程で、坩堝１０内の金属Ｎａおよび金属Ｇａも液体になり、金属Ｎａと金属Ｇａとの混合融液２９０が坩堝１０内に発生する。そして、上下機構２２０は、上述した方法によって、種結晶５を混合融液２９０に接触させる。
【０１１２】
さらに、坩堝１０および反応容器２０の温度が８００℃に昇温されると、空間２３内の窒素ガスが混合融液２９０中の金属Ｎａを媒介として混合融液２９０中へ取り込まれ、種結晶５からＧａＮ結晶が成長し始める。
【０１１３】
その後、坩堝１０および反応容器２０の温度が、所定の時間（数十時間〜数百時間）、８００℃に保持される（ステップＳ４２）。
【０１１４】
そして、ＧａＮ結晶の結晶成長が進行すると、混合融液２９０中の金属Ｇａが減少し、気液界面３が低下する。そうすると、上下機構２２０は、上述した方法によって、種結晶５または種結晶５から成長したＧａＮ結晶６が混合融液２９０に接触するように支持装置２１０を降下させる（ステップＳ４３）。
【０１１５】
また、ＧａＮ結晶の結晶成長が進行すると、空間２３内の窒素ガスが消費され、空間２３内の窒素ガスが減少する。そうすると、空間２３内の圧力Ｐ１が配管３０内の空間３１の圧力Ｐ２よりも低くなり（Ｐ１＜Ｐ２）、空間２３内と空間３１内との間に差圧が発生し、空間３１の窒素ガスは、抑制／導入栓５０および金属融液１９０（＝金属Ｎａ融液）を介して空間２３内へ順次供給される（ステップＳ４４）。これによって、混合融液２９０中の窒素濃度またはＩＩＩ族窒化物濃度を、ＧａＮ結晶の結晶成長中、ほぼ一定に保持でき、大きなサイズのＧａＮ結晶が成長する。
【０１１６】
そして、所定の時間が経過した後、坩堝１０および反応容器２０の温度が降温されて、ＧａＮ結晶の製造が終了する。
【０１１７】
図１３は、実施の形態１による結晶成長装置の他の概略断面図である。実施の形態１による結晶成長装置は、図１３に示す結晶成長装置１００Ａであってもよい。図１３を参照して、結晶成長装置１００Ａは、図１に示す結晶成長装置１００から詰め物２５０を削除したものであり、その他は、結晶成長装置１００と同じである。
【０１１８】
したがって、結晶成長装置１００Ａにおいては、金属部材２６０は、反応容器２０およびヒーター６０，７０を囲む。そして、金属部材２６０は、熱が坩堝１０および反応容器２０から対流により逃げるのを防止する。
【０１１９】
このように、詰め物２５０が設けられていなくても、熱が坩堝１０および反応容器２０から対流により逃げるのを金属部材２６０によって防止でき、坩堝１０および反応容器２０を保温できる。
【０１２０】
結晶成長装置１００ＡにおけるＧａＮ結晶の製造は、図１１および図１２に示すフローチャートに従って実行される。
【０１２１】
その他は、上述したとおりである。
【０１２２】
上述したように、結晶成長装置１００，１００Ａは、金属部材２６０によって反応容器２０、ヒーター６０，７０および詰め物２５０（または反応容器２０およびヒーター６０，７０）を覆い、熱が坩堝１０および反応容器２０から対流により逃げるのを金属部材２６０によって防止しながらＧａＮ結晶を結晶成長する。つまり、この発明においては、坩堝１０および反応容器２０を金属部材２６０によって保温しながらＧａＮ結晶を結晶成長することを特徴とする。
【０１２３】
この特徴によって、ＧａＮ結晶の結晶成長中、坩堝１０および反応容器２０の温度を結晶成長温度に保持できる。その結果、種結晶５からのＧａＮ結晶の結晶成長が安定し、大きなサイズを有するＧａＮ結晶を製造できる。そして、このＧａＮ結晶は、ｃ軸（＜０００１＞）方向に成長した柱状形状を有し、欠陥フリーの結晶である。
【０１２４】
また、結晶成長装置１００，１００Ａにおいては、反応容器２０内の空間２３と金属融液１９０との気液界面１または気液界面１付近における温度Ｔ１と、空間２３と混合融液２９０との気液界面３または気液界面３付近における温度Ｔ２とは、金属融液１９０から蒸発した金属Ｎａの蒸気圧が混合融液２９０から蒸発した金属Ｎａの蒸気圧と略同一になる温度に設定される。
【０１２５】
同じ温度においては、金属融液１９０から蒸発した金属Ｎａの蒸気圧は、混合融液２９０から蒸発した金属Ｎａの蒸気圧よりも高いので、温度Ｔ１は、金属融液１９０から蒸発した金属Ｎａの蒸気圧が混合融液２９０から蒸発した金属Ｎａの蒸気圧に略同一になるように温度Ｔ２よりも低い温度に設定される。
【０１２６】
その結果、空間２３内において、金属融液１９０から混合融液２９０への金属Ｎａの移動と混合融液２９０から金属融液１９０への金属Ｎａの移動とが平衡状態になり、金属融液１９０から混合融液２９０への金属Ｎａの移動および混合融液２９０から金属融液１９０への金属Ｎａの移動による混合融液２９０中の金属Ｎａと金属Ｇａとのモル比率の変動を抑制でき、大きなサイズを有するＧａＮ結晶を安定して製造できる。
【０１２７】
なお、図１１に示すフローチャートにおいては、坩堝１０および反応容器２０が８００℃に加熱されると、種結晶５を金属Ｎａおよび金属Ｇａとの混合融液２９０に接触させると説明したが、この発明においては、これに限らず、坩堝１０および反応容器２０が８００℃に加熱されると、種結晶５を金属Ｎａおよび金属Ｇａとの混合融液２９０中に保持するようにしてもよい。つまり、坩堝１０および反応容器２０が８００℃に加熱されると、種結晶５を混合融液２９０に浸漬して種結晶５からＧａＮ結晶を結晶成長させるようにしてもよい。
【０１２８】
そして、種結晶５を混合融液２９０に接触させる動作は、振動印加装置２３０によって支持装置２１０に振動を印加し、支持装置２１０の振動を示す振動検出信号ＢＤＳを検出するステップＡと、検出された振動検出信号ＢＤＳが、種結晶５が混合融液２９０に接したときの振動検出信号（振動検出信号ＢＤＳの成分ＳＳ２）になるように支持装置２１０を上下機構２２０によって移動させるステップＢとからなる。
【０１２９】
また、種結晶５を混合融液２９０中に保持する動作は、振動印加装置２３０によって支持装置２１０に振動を印加し、支持装置２１０の振動を示す振動検出信号ＢＤＳを検出するステップＡと、検出された振動検出信号ＢＤＳが、種結晶５が混合融液２９０中に浸漬されたときの振動検出信号（振動検出信号ＢＤＳの成分ＳＳ３）になるように支持装置２１０を上下機構２２０によって移動させるステップＣとからなる。
【０１３０】
ステップＢおよびステップＣにおいて、支持装置２１０を上下機構２２０によって移動させるとしているのは、坩堝１０の容積と、坩堝１０に入れられた金属Ｎａおよび金属Ｇａの全体量との関係によって、坩堝１０内で生成された混合融液２９０の液面（＝界面３）の位置が変動し、坩堝１０内で混合融液２９０が生成された時点で、種結晶５が混合融液２９０に浸漬されていることもあれば、種結晶５が空間２３に保持されていることもあるので、種結晶５を混合融液２９０に接触または種結晶５を混合融液２９０に浸漬するには、種結晶５を重力方向ＤＲ１において上下動させる必要があるからである。
【０１３１】
さらに、上記においては、抑制／導入栓５０の凸部５２の高さＨおよび複数の凸部５２の間隔ｄは、数十μｍであると説明したが、凸部５２の高さＨおよび複数の凸部５２の間隔ｄは、抑制／導入栓５０の温度に応じて決定されるようにしてもよい。この場合、抑制／導入栓５０の温度が相対的に高い場合、凸部５２の高さＨは相対的に高くされ、かつ、複数の凸部５２の間隔ｄは、相対的に小さくされる。また、抑制／導入栓５０の温度が相対的に低い場合、凸部５２の高さＨは相対的に低くされ、かつ、複数の凸部５２の間隔ｄは、相対的に大きくされる。つまり、抑制／導入栓５０の温度が相対的に高い場合、抑制／導入栓５０と配管３０との間の空隙５３のサイズが相対的に小さくされ、抑制／導入栓５０の温度が相対的に低い場合、抑制／導入栓５０と配管３０との間の空隙５３のサイズが相対的に大きくされる。
【０１３２】
凸部５２の高さＨおよび複数の凸部５２の間隔ｄによって空隙５３の大きさが決定され、表面張力により金属融液１９０を保持可能な空隙５３の大きさが抑制／導入栓５０の温度によって変化する。したがって、凸部５２の高さＨおよび複数の凸部５２の間隔ｄを抑制／導入栓５０の温度に応じて変化させ、表面張力によって金属融液１９０を確実に保持できるようにしたものである。
【０１３３】
そして、抑制／導入栓５０の温度制御は、ヒーター７０によって行われる。すなわち、抑制／導入栓５０の温度を１５０℃よりも高い温度に昇温する場合には、ヒーター７０によって抑制／導入栓５０を加熱する。
【０１３４】
さらに、この発明においては、金属部材２６０に代えてアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、セラミックス、カーボン、Ｓｉ３Ｎ４およびチタン酸アルミ等の酸化物または窒化物を反応容器２０から遠ざかる方向への気体の流れを遮断する物として用いてもよい。
【０１３５】
なお、この発明においては、ガスボンベ１４０、圧力調整器１３０、ガス供給管９０，１１０、配管３０、抑制／導入栓５０および金属融液１９０は、「ガス供給装置」を構成する。
【０１３６】
また、この発明においては、ヒーター６０，７０は、「加熱装置」を構成し、ヒーター６０は、「第１のヒーター」を構成し、ヒーター７０は、「第２のヒーター」を構成する。
【０１３７】
さらに、この発明においては、金属部材２６０は、「遮断部材」を構成する。
【０１３８】
さらに、この発明においては、金属部材２６０は、「保温装置」を構成する。
【０１３９】
さらに、この発明においては、詰め物２５０および金属部材２６０は、「保温装置」を構成する。
【０１４０】
［実施の形態２］
図１４は、実施の形態２による結晶成長装置の概略断面図である。図１４を参照して、実施の形態２による結晶成長装置１００Ｂは、図１に示す結晶成長装置１００に金属部材２７０を追加したものであり、その他は、結晶成長装置１００と同じである。
【０１４１】
金属部材２７０は、ＳＵＳ３１６Ｌからなり、中空の円筒形状を有する。そして、金属部材２７０は、一方端が反応容器２０の蓋部２２とベローズ４０との連結部を除く反応容器２０の蓋部２２上に載せられ、反応容器２０、ヒーター６０，７０、詰め物２５０および金属部材２６０を覆うように配置される。そして、金属部材２７０の他方端は、開口になっており、ヒーター７０よりも下側に配置される。
【０１４２】
金属部材２６０に追加して金属部材２７０を設けることによって、熱が坩堝１０および反応容器２０から対流により逃げるのをさらに防止できる。つまり、反応容器２０の外周面２０Ａから放出された熱が金属部材２７０の外側まで到達するには、金属部材２６０／空間部／金属部材２７０を通過する必要があるので、熱が反応容器２０の外周面２０Ａから対流により逃げるのをさらに防止できるとともに、金属部材２７０は、反応容器２０の蓋部２２も覆うので、空間２３に接する反応容器２０の蓋部２２から熱が対流によって逃げるのも防止できる。
【０１４３】
その結果、ＧａＮ結晶の結晶成長中、坩堝１０および反応容器２０の温度を結晶成長温度にさらに安定して保持できる。
【０１４４】
結晶成長装置１００ＢにおけるＧａＮ結晶の製造は、図１１および図１２に示すフローチャートに従って行なわれる。
【０１４５】
図１５は、実施の形態２による結晶成長装置の他の概略断面図である。実施の形態２による結晶成長装置は、図１５に示す結晶成長装置１００Ｃであってもよい。図１５を参照して、実施の形態２による結晶成長装置１００Ｃは、図１４に示す結晶成長装置１００Ｂの詰め物２５０を削除したものであり、その他は、結晶成長装置１００Ｂと同じである。
【０１４６】
詰め物２５０がなくても、金属部材２６０は、反応容器２０およびヒーター６０，７０を囲み、金属部材２７０は、反応容器２０の蓋部２２および金属部材２６０を囲むので、熱が坩堝１０および反応容器２０から対流により逃げるのをさらに防止できる。
【０１４７】
結晶成長装置１００ＣにおけるＧａＮ結晶の製造は、図１１および図１２に示すフローチャートに従って行なわれる。
【０１４８】
図１６は、実施の形態２による結晶成長装置のさらに他の概略断面図である。実施の形態２による結晶成長装置は、図１６に示す結晶成長装置１００Ｄであってもよい。図１６を参照して、結晶成長装置１００Ｄは、図１４に示す結晶成長装置１００Ｂに詰め物２５１を追加したものであり、その他は、結晶成長装置１００Ｂと同じである。
【０１４９】
詰め物２５１は、金属部材２６０と金属部材２７０との間に配置される。そして、詰め物２５１を設けることによって、反応容器２０から遠ざかる方向への気体の流れをさらに抑制でき、坩堝１０および反応容器２０をさらに保温できる。
【０１５０】
結晶成長装置１００ＤにおけるＧａＮ結晶の製造は、図１１および図１２に示すフローチャートに従って行なわれる。
【０１５１】
なお、実施の形態２による結晶成長装置は、図１６に示す結晶成長装置１００Ｄから詰め物２５０を削除したものであってもよい。
【０１５２】
上記においては、金属部材２６０，２７０を用いると説明したが、この発明においては、これに限らず、金属部材２６０，２７０に代えてアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、セラミックス、カーボン、Ｓｉ３Ｎ４およびチタン酸アルミ等の酸化物または窒化物を反応容器２０から遠ざかる方向への気体の流れを遮断する物として用いてもよい。
【０１５３】
その他は、上述したとおりである。
【０１５４】
なお、金属部材２６０，２７０は、「遮断部材」を構成する。
【０１５５】
また、金属部材２６０，２７０は、「保温装置」を構成する。
【０１５６】
さらに、詰め物２５０および金属部材２６０，２７０は、「保温装置」を構成する。
【０１５７】
さらに、詰め物２５０，２５１および金属部材２６０，２７０は、「保温装置」を構成する。
【０１５８】
さらに、金属部材２６０は、「第１の遮断部材」を構成し、金属部材２７０は、「第２の遮断部材」を構成する。
【０１５９】
その他は、実施の形態１と同じである。
【０１６０】
［実施の形態３］
図１７は、実施の形態３による結晶成長装置の概略断面図である。図１７を参照して、実施の形態３による結晶成長装置１００Ｅは、図１４に示す結晶成長装置１００Ｂに金属部材２８０を追加したものであり、その他は、結晶成長装置１００Ｂと同じである。
【０１６１】
金属部材２８０は、ＳＵＳ３１６Ｌからなり、中空の円筒形状を有する。そして、金属部材２８０は、ベローズ４０および金属部材２７０を覆う。そして、金属部材２７０の開口端は、ヒーター７０よりも下側に配置される。
【０１６２】
金属部材２６０，２７０に追加して金属部材２８０を設けることによって、熱が坩堝１０および反応容器２０から対流により逃げるのをさらに防止できる。つまり、反応容器２０の外周面２０Ａから放出された熱が金属部材２８０の外側まで到達するには、金属部材２６０／空間部／金属部材２７０／空間部／金属部材２８０を通過する必要があるので、熱が反応容器２０の外周面２０Ａから対流により逃げるのをさらに防止できるとともに、反応容器２０の蓋部２２から放出された熱が金属部材２８０の外側まで到達するには、金属部材２７０／空間部／金属部材２８０を通過する必要があるので、空間２３に接する反応容器２０の蓋部２２から熱が対流によって逃げるのをさらに防止できる。
【０１６３】
その結果、ＧａＮ結晶の結晶成長中、坩堝１０および反応容器２０の温度を結晶成長温度にさらに安定して保持できる。
【０１６４】
結晶成長装置１００ＥにおけるＧａＮ結晶の製造は、図１１および図１２に示すフローチャートに従って行なわれる。
【０１６５】
図１８は、実施の形態３による結晶成長装置の他の概略断面図である。実施の形態３による結晶成長装置は、図１８に示す結晶成長装置１００Ｆであってもよい。図１８を参照して、実施の形態３による結晶成長装置１００Ｆは、図１７に示す結晶成長装置１００Ｅの詰め物２５０を削除したものであり、その他は、結晶成長装置１００Ｅと同じである。
【０１６６】
詰め物２５０がなくても、金属部材２６０は、反応容器２０およびヒーター６０，７０を囲み、金属部材２７０は、反応容器２０の蓋部２２および金属部材２６０を囲み、金属部材２８０は、ベローズ４０および金属部材２７０を囲むので、熱が坩堝１０および反応容器２０から対流により逃げるのをさらに防止できる。
【０１６７】
結晶成長装置１００ＦにおけるＧａＮ結晶の製造は、図１１および図１２に示すフローチャートに従って行なわれる。
【０１６８】
図１９は、実施の形態３による結晶成長装置のさらに他の概略断面図である。実施の形態３による結晶成長装置は、図１９に示す結晶成長装置１００Ｇであってもよい。図１９を参照して、結晶成長装置１００Ｇは、図１７に示す結晶成長装置１００Ｅに詰め物２５１を追加したものであり、その他は、結晶成長装置１００Ｅと同じである。
【０１６９】
詰め物２５１は、金属部材２６０と金属部材２７０との間に配置される。そして、詰め物２５１を設けることによって、反応容器２０から遠ざかる方向への気体の流れをさらに抑制でき、坩堝１０および反応容器２０をさらに保温できる。
【０１７０】
結晶成長装置１００ＧにおけるＧａＮ結晶の製造は、図１１および図１２に示すフローチャートに従って行なわれる。
【０１７１】
図２０は、実施の形態３による結晶成長装置のさらに他の概略断面図である。実施の形態３による結晶成長装置は、図２０に示す結晶成長装置１００Ｈであってもよい。図２０を参照して、結晶成長装置１００Ｈは、図１９に示す結晶成長装置１００Ｇに詰め物２５２を追加したものであり、その他は、結晶成長装置１００Ｇと同じである。
【０１７２】
詰め物２５２は、金属部材２７０と金属部材２８０との間に配置される。そして、詰め物２５２を設けることによって、反応容器２０から遠ざかる方向への気体の流れをさらに抑制でき、坩堝１０および反応容器２０をさらに保温できる。
【０１７３】
結晶成長装置１００ＨにおけるＧａＮ結晶の製造は、図１１および図１２に示すフローチャートに従って行なわれる。
【０１７４】
なお、実施の形態３による結晶成長装置は、図１９に示す結晶成長装置１００Ｇから詰め物２５０を削除したものであってもよく、図２０に示す結晶成長装置１００Ｈから詰め物２５０を削除したものであってもよく、図２０に示す結晶成長装置１００Ｈから詰め物２５１を削除したものであってもよく、図２０に示す結晶成長装置１００Ｈから詰め物２５０，２５１を削除したものであってもよい。
【０１７５】
上記においては、金属部材２６０，２７０，２８０を用いると説明したが、この発明においては、これに限らず、金属部材２６０，２７０，２８０に代えてアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、セラミックス、カーボン、Ｓｉ３Ｎ４およびチタン酸アルミ等の酸化物または窒化物を反応容器２０から遠ざかる方向への気体の流れを遮断する物として用いてもよい。
【０１７６】
その他は、上述したとおりである。
【０１７７】
なお、金属部材２６０，２７０，２８０は、「遮断部材」を構成する。
【０１７８】
また、金属部材２６０，２７０，２８０は、「保温装置」を構成する。
【０１７９】
さらに、詰め物２５０および金属部材２６０，２７０，２８０は、「保温装置」を構成する。
【０１８０】
さらに、詰め物２５１および金属部材２６０，２７０，２８０は、「保温装置」を構成する。
【０１８１】
さらに、詰め物２５２および金属部材２６０，２７０，２８０は、「保温装置」を構成する。
【０１８２】
さらに、詰め物２５０，２５１および金属部材２６０，２７０，２８０は、「保温装置」を構成する。
【０１８３】
さらに、詰め物２５１，２５２および金属部材２６０，２７０，２８０は、「保温装置」を構成する。
【０１８４】
さらに、詰め物２５０，２５２および金属部材２６０，２７０，２８０は、「保温装置」を構成する。
【０１８５】
さらに、詰め物２５１〜２５３および金属部材２６０，２７０，２８０は、「保温装置」を構成する。
【０１８６】
さらに、金属部材２６０は、「第１の遮断部材」を構成し、金属部材２７０は、「第２の遮断部材」を構成し、金属部材２８０は、「第３の遮断部材」を構成する。
【０１８７】
その他は、実施の形態１，２と同じである。
【０１８８】
［実施の形態４］
図２１は、実施の形態４による結晶成長装置の概略断面図である。図２１を参照して、実施の形態４による結晶成長装置１００Ｉは、図１に示す結晶成長装置１００に外部反応容器３００、ガス供給管３１０、バルブ３２０，３４０、排気管３３０および圧力センサー３５０を追加したものであり、その他は、結晶成長装置１００と同じである。
【０１８９】
外部反応容器３００は、反応容器２０、支持部２４、配管３０、ベローズ４０、ヒーター６０，７０、ガス供給管９０，１１０、バルブ１２０，１２１，１６０、排気管１５０、圧力センサー１８０、支持装置２１０、上下機構２２０、詰め物２５０および金属部材２６０を内部に含む。
【０１９０】
ガス供給管３１０は、一方端がガス供給管９０に連結され、他方端がバルブ３２０を介して外部反応容器３００に連結される。バルブ３２０は、外部反応容器３００の近傍でガス供給管３１０に装着される。
【０１９１】
排気管３３０は、一方端がバルブ３４０を介して外部反応容器３００に連結され、他方端が排気管１５０に連結される。バルブ３４０は、外部反応容器３００の近傍で排気管３３０に装着される。圧力センサー３５０は、外部反応容器３００に取り付けられる。
【０１９２】
ガス供給管３１０は、ガスボンベ１４０から圧力調整器１３０を介して供給された窒素ガスをバルブ３２０を介して外部反応容器３００内に供給する。バルブ３２０は、ガス供給管３１０の窒素ガスを外部反応容器３００内へ供給し、または窒素ガスの外部反応容器３００内の供給を停止する。
【０１９３】
排気管３３０は、外部反応容器３００内の気体を真空ポンプ１７０へ通過させる。バルブ３４０は、外部反応容器３００と排気管３３０とを空間的に繋げ、または外部反応容器３００内と排気管３３０とを空間的に遮断する。圧力センサー３５０は、外部反応容器３００内の圧力を検出する。
【０１９４】
なお、結晶成長装置１００Ｆにおいては、圧力調整器１３０は、ガス供給管９０およびバルブ１２０を介して窒素ガスを反応容器２０内へ供給し、ガス供給管３１０およびバルブ３２０を介して窒素ガスを外部反応容器３００内へ供給する。
【０１９５】
また、真空ポンプ１７０は、排気管１５０およびバルブ１６０を介して反応容器２０内を真空引きするとともに、排気管３３０およびバルブ３４０を介して外部反応容器３００内を真空引きする。
【０１９６】
図２２は、ＧａＮ結晶の製造方法を説明するための実施の形態４におけるフローチャートである。図２２に示すフローチャートは、図１１に示すフローチャートのステップＳ３をステップＳ３Ａに代えたものであり、その他は、図１１に示すフローチャートと同じである。
【０１９７】
図２２を参照して、上述したステップＳ２が終了すると、Ａｒガス雰囲気中で種結晶５を坩堝１０内の金属Ｎａおよび金属Ｇａの上側に設定する。より具体的には、種結晶５を支持装置２１０の一方端２１１１側に形成された空間２１４へ嵌合することによって（図４の（ｂ）参照）、種結晶５を坩堝１０内の金属Ｎａおよび金属Ｇａの上側に設定する。
【０１９８】
引続いて、坩堝１０および反応容器２０内にＡｒガスを充填した状態で坩堝１０および反応容器２０を外部反応容器３００内に配置することによって結晶成長装置１００に坩堝１０および反応容器２０を設置する。
【０１９９】
そして、バルブ１６０ ，３４０を開け、真空ポンプ１７０によって坩堝１０，反応容器２０および外部反応容器３００内に充填されたＡｒガスを排気する。真空ポンプ１７０によって坩堝１０、反応容器２０および外部反応容器３００内を所定の圧力（０．１３３Ｐａ以下）まで真空引きした後、バルブ１６０，３４０を閉じ、バルブ１２０，１２１，３２０を開けて窒素ガスをガスボンベ１４０からガス供給管９０，１１０，３１０を介して坩堝１０、反応容器２０および外部反応容器３００内へ充填する。この場合、圧力調整器１３０によって坩堝１０、反応容器２０および外部反応容器３００内の圧力が約０．１ＭＰａになるように坩堝１０、反応容器２０および外部反応容器３００内へ窒素ガスを供給する。
【０２００】
そして、圧力センサー１８０，３５０によって検出した反応容器２０および外部反応容器３００内の圧力が０．１ＭＰａ程度になると、バルブ１２０，１２１を閉じ、バルブ１６０，３４０を開けて真空ポンプ１７０によって坩堝１０、反応容器２０および外部反応容器３００内に充填された窒素ガスを排気する。この場合も、真空ポンプ１７０によって坩堝１０、反応容器２０および外部反応容器３００内を所定の圧力（０．１３３Ｐａ以下）まで真空引きする。
【０２０１】
そして、この坩堝１０、反応容器２０および外部反応容器３００内の真空引きと坩堝１０、反応容器２０および外部反応容器３００への窒素ガスの充填とを数回繰り返し行なう。
【０２０２】
その後、真空ポンプ１７０によって坩堝１０、反応容器２０および外部反応容器３００内を所定の圧力まで真空引きした後、バルブ１６０，３４０を閉じ、バルブ１２０，１２１を開けて圧力調整器１３０によって坩堝１０、反応容器２０および外部反応容器３００内の圧力が１．０１〜５．０５ＭＰａの範囲になるように坩堝１０、反応容器２０および外部反応容器３００内へ窒素ガスを充填する（ステップＳ３Ａ）。
【０２０３】
この場合、坩堝１０と反応容器２０との間の金属Ｎａは、固体であるので、窒素ガスは、配管３０の空間３１からも抑制／導入栓５０を介して反応容器２０内の空間２３へ供給される。そして、圧力センサー１８０によって検出した空間２３内の圧力が１．０１〜５．０５ＭＰａになった時点でバルブ１２０が閉じられる。
【０２０４】
そうすると、坩堝１０および反応容器２０から熱が対流によって逃げるのを防止しながらＧａＮ結晶を結晶成長する（ステップＳ４）。そして、一連の動作が終了する。
【０２０５】
このように、実施の形態４による結晶成長装置１００Ｆにおいては、金属部材２６０が１．０１〜５．０５ＭＰａの範囲に加圧された窒素ガス雰囲気中に配置された状態でＧａＮ結晶の結晶成長が行なわれる。
【０２０６】
金属部材２６０が存在しない場合、詰め物２５０は、１．０１〜５．０５ＭＰａの範囲の圧力で外部反応容器３００内に充填された窒素ガスに接するので、坩堝１０および反応容器２０からの熱は、対流により逃げ易い。すなわち、熱の対流は、大気圧よりも高い圧力（＝１．０１〜５．０５ＭＰａ）の窒素ガスによる場合の方が、大気圧の窒素ガスによる場合よりも生じやすいので、金属部材２６０が存在しない場合、熱は、坩堝１０および反応容器２０から対流により逃げ易い。
【０２０７】
しかし、結晶成長装置１００Ｉにおいては、金属部材２６０は、大気圧よりも高い圧力（＝１．０１〜５．０５ＭＰａ）に充填された窒素ガス雰囲気中に存在するので、熱が坩堝１０および反応容器２０から対流により逃げ易い状況下において、熱が坩堝１０および反応容器２０から対流により逃げるのを効果的に防止できる。
【０２０８】
その結果、反応容器２０が大気圧よりも高い圧力に充填された窒素ガス雰囲気中に配置された場合にも、坩堝１０および反応容器２０を保温することができ、ＧａＮ結晶を安定して製造できる。
【０２０９】
なお、実施の形態４による結晶成長装置は、図２１に示す結晶成長装置１００Ｉから詰め物２５０を削除したものであってもよく、図１４に示す態様で金属部材２７０を結晶成長装置１００Ｉに追加したものであってもよく、図１５に示す態様で金属部材２７０を結晶成長装置１００Ｉに追加し、かつ、詰め物２５０を削除したものであってもよい。
【０２１０】
また、実施の形態４による結晶成長装置は、図１６に示す態様で金属部材２７０および詰め物２５１を結晶成長装置１００Ｉに追加したものであってもよく、図１６に示す態様で金属部材２７０および詰め物２５１を結晶成長装置１００Ｉに追加したものから詰め物２５０を削除したものであってもよい。
【０２１１】
さらに、実施の形態４による結晶成長装置は、図１７に示す態様で金属部材２７０，２８０を結晶成長装置１００Ｉに追加したものであってもよく、図１７に示す態様で金属部材２７０，２８０を結晶成長装置１００Ｉに追加したものから詰め物２５０を削除したものであってもよく、図１９に示す態様で金属部材２７０，２８０および詰め物２５１を結晶成長装置１００Ｉに追加したものであってもよく、図１９に示す態様で金属部材２７０，２８０および詰め物２５１を結晶成長装置１００Ｉに追加したものから詰め物２５０を削除したものであってもよく、図２０に示す態様で金属部材２７０，２８０および詰め物２５１，２５２を追加したものであってもよく、図２０に示す態様で金属部材２７０，２８０および詰め物２５１，２５２を追加したものから詰め物２５０を削除したものであってもよく、図２０に示す態様で金属部材２７０，２８０および詰め物２５１，２５２を追加したものから詰め物２５１を削除したものであってもよく、図２０に示す態様で金属部材２７０，２８０および詰め物２５１，２５２を追加したものから詰め物２５０，２５１を削除したものであってもよい。
【０２１２】
その結果、実施の形態４による結晶成長装置は、金属部材２６０，２７０，２８０の少なくとも１つの金属部材および／または詰め物２５０〜２５２の少なくとも１つの詰め物が反応容器２０を囲むように大気圧よりも高い窒素ガス雰囲気中で配置され、熱が坩堝１０および反応容器２０から対流により逃げるのを効果的に防止できる。
【０２１３】
その他は、実施の形態１〜実施の形態３と同じである。
【０２１４】
上述した実施の形態１〜実施の形態４による結晶成長装置１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ，１００Ｆ，１００Ｇ，１００Ｈ，１００Ｉは、少なくとも１個の金属部材（金属部材２６０，２７０，２８０のうちの金属部材２６０）を備えるので、この発明による結晶成長装置は、反応容器２０を囲むとともに反応容器２０から遠ざかる方向への気体の流れを遮断する遮断部材を備えていればよい。そして、好ましくは、遮断部材は、大気圧よりも高い圧力に充填された窒素ガス雰囲気中に配置される。
【０２１５】
また、上記においては、ＧａＮ結晶の結晶成長速度と界面３の低下速度との関係によって種結晶５を上方向または下方向へ移動させ、種結晶５を界面３に接触させると説明したが、種結晶５から結晶成長したＧａＮ結晶が混合融液２９０に浸漬されることによる界面３の上昇および種結晶５から結晶成長したＧａＮ結晶を混合融液２９０中から上方向へ移動させることによる界面３の低下を考慮して、種結晶５から結晶成長したＧａＮ結晶が界面３に接触するように上下機構２２０によって支持装置２１０を上下動させてもよい。
【０２１６】
金属融液１９０の温度と混合融液２９０の温度とが同じである場合、金属融液１９０から蒸発した金属Ｎａの蒸気圧は、混合融液２９０から蒸発した金属Ｎａの蒸気圧よりも高くなる。そうすると、金属Ｎａが金属融液１９０から混合融液２９０へ移動し、界面３の位置が上昇する。したがって、金属融液１９０の温度と混合融液２９０の温度とを同一に設定した場合、金属Ｎａの金属融液１９０から混合融液２９０への移動による界面３の上昇を考慮して、種結晶５から結晶成長したＧａＮ結晶が界面３に接触するように上下機構２２０によって支持装置２１０を上下動させてもよい。
【０２１７】
さらに、種結晶５から結晶成長したＧａＮ結晶の結晶成長とともに混合融液２９０中の金属Ｇａが消費され、この金属Ｇａの消費により界面３が低下するので、金属Ｇａの消費量を考慮して、種結晶５から結晶成長したＧａＮ結晶が界面３に接触するように上下機構２２０によって支持装置２１０を上下動させてもよい。
【０２１８】
さらに、上記においては、支持装置２１０に振動を与え、支持装置２１０の振動を検出して種結晶５またはＧａＮ結晶６が混合融液２９０に接触するように制御したが、この発明においては、これに限らず、気液界面３の位置を検出して種結晶５またはＧａＮ結晶６が混合融液２９０に接触するようにしてもよい。この場合、導線の一方端を外部から反応容器２０に接続し、他方端を混合融液２９０中に浸漬させた状態で導線に電流を流し、電流がオフからオンに切換わるときの反応容器２０内に入れられた導線の長さによって気液界面３の位置を検出する。
【０２１９】
導線の他方端が混合融液２９０に浸漬されていれば、混合融液２９０、坩堝１０、金属融液１９０および反応容器２０を介して導線に電流が流れ、導線の他方端が混合融液２９０に浸漬されていなければ、導線に電流が流れない。
【０２２０】
したがって、電流がオフからオンに切換わるときの反応容器２０内に入れられた導線の長さによって気液界面３の位置を検出できる。そして、気液界面３の位置を検出すると、上下機構２２０によって、検出した気液界面３の位置まで種結晶５またはＧａＮ結晶６を降下させる。
【０２２１】
また、音波を気液界面３に向けて発し、音波が気液界面３との間で往復する時間を測定して気液界面３の位置を検出するようにしてもよい。
【０２２２】
さらに、熱電対を反応容器２０から坩堝１０内に挿入し、熱電対によって検出した温度が変化するときの反応容器２０内に挿入された熱電対の長さから気液界面３の位置を検出するようにしてもよい。
【０２２３】
この発明による結晶成長装置は、上述した結晶成長装置１００，１００Ａから、上下機構２２０、振動印加装置２３０および振動検出装置２４０を削除したものであってもよい。すなわち、この発明による結晶成長装置は、結晶成長装置１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ，１００Ｆ，１００Ｇ，１００Ｈ，１００Ｉから種結晶５を上下させる機能を削除したものであってもよい。
【０２２４】
また、この発明による結晶成長装置は、上述した結晶成長装置１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ，１００Ｆ，１００Ｇ，１００Ｈ，１００Ｉから、支持装置２１０、上下機構２２０、振動印加装置２３０および振動検出装置２４０を削除したものであってもよい。すなわち、この発明による結晶成長装置は、結晶成長装置１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ，１００Ｆ，１００Ｇ，１００Ｈ，１００Ｉから種結晶５を坩堝１０の上側から支持する機能と、種結晶５を上下させる機能とを削除したものであってもよい。この場合、種結晶５は、坩堝１０の底部に設置される。
【０２２５】
このように、この発明による結晶成長装置は、各種の結晶成長装置からなるが、一般的には、熱が対流によって逃げるのを防止する部材を備えた構成からなる。すなわち、この発明による結晶成長装置は、一般的には、保温機能を有する結晶成長装置からなる。
【０２２６】
また、この発明による製造方法は、熱が対流によって逃げるのを防止してＧａＮ結晶を製造する製造方法であればよい。
【０２２７】
図２３は、この発明による抑制／導入栓の他の斜視図である。また、図２４は、図２３に示す抑制／導入栓４００の固定方法を説明するための断面図である。図２３を参照して、抑制／導入栓４００は、栓４０１と、複数の凸部４０２とからなる。栓４０１は、長さ方向ＤＲ３へ直径が変化する円柱形状からなる。複数の凸部４０２の各々は、略半球形状を有し、直径が数十μｍである。そして、複数の凸部４０２は、栓４０１の外周面４０１Ａにランダムに形成される。ただし、隣接する２つの凸部４０２の間隔は、数十μｍに設定される。
【０２２８】
図２４を参照して、抑制／導入栓４００は、支持部材４０３，４０４によって反応容器２０と配管３０との連結部に固定される。より具体的には、抑制／導入栓４００は、一方端が反応容器２０に固定された支持部材４０３と、一方端が配管３０の内壁に固定された支持部材４０４とによって挟まれることによって固定される。
【０２２９】
この場合、抑制／導入栓４００の凸部４０２は、反応容器２０および配管３０に接していてもよく、接していなくてもよい。凸部４０２が反応容器２０および配管３０に接しないように抑制／導入栓４００が固定される場合、凸部４０２と反応容器２０および配管３０との間隔を表面張力によって金属融液１９０を保持可能な間隔に設定して抑制／導入栓４００を支持部材４０３，４０４によって固定する。
【０２３０】
坩堝１０と反応容器２０との間に保持された金属Ｎａは、坩堝１０および反応容器２０の加熱が開始される前、固体であるので、ガスボンベ１４０から供給された窒素ガスは、反応容器２０内の空間２３と配管３０内の空間３１との間を抑制／導入栓４００を介して拡散可能である。
【０２３１】
そして、坩堝１０および反応容器２０の加熱が開始され、坩堝１０および反応容器２０の温度が９８℃以上に昇温されると、坩堝１０と反応容器２０との間に保持された金属Ｎａは、溶けて金属融液１９０になり、窒素ガスを空間２３に閉じ込める。
【０２３２】
また、抑制／導入栓４００は、金属融液１９０が反応容器２０の内部から配管３０の空間３１へ流出しないように金属融液１９０の表面張力によって金属融液１９０を保持する。
【０２３３】
さらに、金属融液１９０および抑制／導入栓４００は、ＧａＮ結晶の成長が進行すると、窒素ガスと、金属融液１９０および混合融液２９０から蒸発した金属Ｎａ蒸気とを空間２３に閉じ込める。その結果、混合融液２９０からの金属Ｎａの蒸発を抑制でき、混合融液２９０中における金属Ｎａと金属Ｇａとのモル比率を安定させることができる。そして、ＧａＮ結晶の成長が進行するに伴って、空間２３内の窒素ガスが減少すると、空間２３内の圧力Ｐ１は、配管３０の空間３１の圧力Ｐ２よりも低くなり、抑制／導入栓４００は、空間３１の窒素ガスを反応容器２０の方向へ通過させ、金属融液１９０を介して空間２３へ供給する。
【０２３４】
このように、抑制／導入栓４００は、上述した抑制／導入栓５０と同じように作用する。したがって、抑制／導入栓４００は、抑制／導入栓５０に代えて結晶成長装置１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ，１００Ｆに用いられる。
【０２３５】
上記においては、抑制／導入栓４００は、凸部４０２を有すると説明したが、抑制／導入栓４００は、凸部４０２を有していなくてもよい。この場合、栓４０１と反応容器２０および配管３０との間隔が数十μｍになるように、抑制／導入栓４００は、支持部材によって固定される。
【０２３６】
そして、抑制／導入栓４００（凸部４０２を有する場合と凸部４０２を有さない場合とを含む。以下、同じ）と反応容器２０および配管３０との間隔は、抑制／導入栓４００の温度に応じて決定されるようにしてもよい。この場合、抑制／導入栓４００の温度が相対的に高い場合、抑制／導入栓４００と反応容器２０および配管３０との間隔は、相対的に小さく設定される。また、抑制／導入栓４００の温度が相対的に低い場合、抑制／導入栓４００と反応容器２０および配管３０との間隔は、相対的に大きく設定される。
【０２３７】
表面張力により金属融液１９０を保持可能な抑制／導入栓４００と反応容器２０および配管３０との間隔は、抑制／導入栓４００の温度によって変化する。したがって、抑制／導入栓４００と反応容器２０および配管３０との間隔を抑制／導入栓４００の温度に応じて変化させ、表面張力によって金属融液１９０を確実に保持できるようにしたものである。
【０２３８】
そして、抑制／導入栓４００の温度制御は、ヒーター７０によって行われる。すなわち、抑制／導入栓４００の温度を１５０℃よりも高い温度に昇温する場合には、ヒーター７０によって抑制／導入栓４００を加熱する。
【０２３９】
抑制／導入栓４００が用いられる場合、ガスボンベ１４０、圧力調整器１３０、ガス供給管９０，１１０、配管３０、抑制／導入栓４００および金属融液１９０は、「ガス供給装置」を構成する。
【０２４０】
図２５は、この発明による抑制／導入栓のさらに他の斜視図である。図２５を参照して、抑制／導入栓４１０は、複数の貫通孔４１２が形成された栓４１１からなる。複数の貫通孔４１２は、栓４１１の長さ方向ＤＲ２に沿って形成される。そして、複数の貫通孔４１２の各々は、数十μｍの直径を有する（図２５の（ａ）参照）。
【０２４１】
なお、抑制／導入栓４１０においては、貫通孔４１２は、少なくとも１個形成されていればよい。
【０２４２】
また、抑制／導入栓４２０は、複数の貫通孔４２２が形成された栓４２１からなる。複数の貫通孔４２２は、栓４２１の長さ方向ＤＲ２に沿って形成される。そして、複数の貫通孔４２２の各々は、長さ方向ＤＲ２へ複数段に変化された直径ｒ１，ｒ２，ｒ３を有する。直径ｒ１，ｒ２，ｒ３の各々は、金属融液１９０を表面張力により保持可能な範囲で決定され、たとえば、数μｍ〜数十μｍの範囲で決定される（図２５の（ｂ）参照）。
【０２４３】
なお、抑制／導入栓４２０においては、貫通孔４２２は、少なくとも１個形成されていればよい。また、貫通孔４２２の直径は、少なくとも２個に変化されればよい。さらに、貫通孔４２２の直径は、長さ方向ＤＲ２へ連続的に変えられてもよい。
【０２４４】
抑制／導入栓４１０または４２０は、結晶成長装置１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ，１００Ｆ，１００Ｇ，１００Ｈ，１００Ｉの抑制／導入栓５０に代えて用いられる。
【０２４５】
特に、抑制／導入栓４２０が抑制／導入栓５０に代えて用いられた場合、結晶成長装置１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ，１００Ｆ，１００Ｇ，１００Ｈ，１００Ｉにおいて、抑制／導入栓４２０の温度制御を精密に行なわなくても、複数段に変えられた直径のいずれかによって金属融液１９０を金属融液１９０の表面張力により保持できるので、抑制／導入栓４２０の温度制御を精密に行なわなくても、大きなサイズを有するＧａＮ結晶を製造できる。
【０２４６】
抑制／導入栓４１０または４２０が用いられる場合、ガスボンベ１４０、圧力調整器１３０、ガス供給管９０，１１０、配管３０、抑制／導入栓４１０または４２０および金属融液１９０は、「ガス供給装置」を構成する。
【０２４７】
さらに、この発明においては、抑制／導入栓５０に代えてポーラスプラグまたは逆流防止弁を用いてもよい。ポーラスプラグは、ステンレスの粉末を焼結した焼結体からなり、数十μｍの空孔が多数形成された構造を有する。したがって、ポーラスプラグは、上述した抑制／導入栓５０と同じように金属融液１９０の表面張力によって金属融液１９０を保持可能である。
【０２４８】
また、この発明における逆流防止弁は、低温部分に用いられるバネ式の逆流防止弁と、高温部分に用いられるピストン式の逆流防止弁との両方を含む。このピストン式の逆流防止弁とは、空間３１内の圧力Ｐ２が空間２３内の圧力Ｐ１よりも高いとき、圧力Ｐ２と圧力Ｐ１との差圧によってピストンが１対のガイドに沿って上方向へ移動して空間３１の窒素ガスを金属融液１９０を介して空間２３へ供給し、Ｐ１≧Ｐ２であるとき、自重によってピストンが反応容器２０と配管３０との連結部を塞ぐ形式の逆流防止弁である。したがって、この逆流防止弁は、高温部分においても使用できる。
【０２４９】
上述した実施の形態１〜実施の形態４においては、結晶成長温度は、８００℃であると説明したが、この発明においては、これに限らず、結晶成長温度は、６００℃以上であればよい。また、窒素ガス圧力も０．４ＭＰａ以上の加圧状態の本結晶成長方法で成長可能な圧力であればよい。すなわち、上限も本実施の形態の５．０５ＭＰａに限定されるものではなく、５．０５ＭＰａ以上の圧力であってもよい。
【０２５０】
また、上記においては、Ａｒガス雰囲気中で金属Ｎａおよび金属Ｇａを坩堝１０に入れ、Ａｒガス雰囲気中で金属Ｎａを坩堝１０と反応容器２０との間に入れると説明したが、この発明においては、これに限らず、Ｈｅ、ＮｅおよびＫｒ等のＡｒガス以外のガスまたは窒素ガス雰囲気中で金属Ｎａおよび金属Ｇａを坩堝１０に入れ、金属Ｎａを坩堝１０と反応容器２０との間に入れてもよく、一般的には、不活性ガスまたは窒素ガス雰囲気中で金属Ｎａおよび金属Ｇａを坩堝１０に入れ、金属Ｎａを坩堝１０と反応容器２０との間に入れればよい。そして、この場合、不活性ガスまたは窒素ガスは、水分量が１０ｐｐｍ以下であり、かつ、酸素量が１０ｐｐｍ以下である。
【０２５１】
さらに、金属Ｇａと混合する金属は、Ｎａであると説明したが、この発明においては、これに限らず、リチウム（Ｌｉ）およびカリウム（Ｋ）等のアルカリ金属、またはマグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）およびストロンチウム（Ｓｒ）等のアルカリ土類金属を金属Ｇａと混合して混合融液２９０を生成してもよい。そして、これらのアルカリ金属が溶けたものは、アルカリ金属融液を構成し、これらのアルカリ土類金属が溶けたものは、アルカリ土類金属融液を構成する。
【０２５２】
さらに、窒素ガスに代えて、アジ化ナトリウムおよびアンモニア等の窒素を構成元素に含む化合物を用いてもよい。そして、これらの化合物は、窒素原料ガスを構成する。
【０２５３】
さらに、Ｇａに代えて、ボロン（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）およびインジウム（Ｉｎ）等のＩＩＩ族金属を用いてもよい。
【０２５４】
したがって、この発明による結晶成長装置または製造方法は、一般的には、アルカリ金属またはアルカリ土類金属とＩＩＩ族金属（ボロンを含む）との混合融液を用いてＩＩＩ族窒化物結晶を製造するものであればよい。
【０２５５】
そして、この発明による結晶成長装置または製造方法を用いて製造したＩＩＩ族窒化物結晶は、発光ダイオード、半導体レーザ、フォトダイオードおよびトランジスタ等のＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの作製に用いられる。
【０２５６】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０２５７】
この発明は、温度をほぼ一定に保持してＩＩＩ族窒化物結晶を結晶成長する結晶成長装置に適用される。また、この発明は、温度をほぼ一定に保持してＩＩＩ族窒化物結晶を製造する製造方法に適用される。
【図面の簡単な説明】
【０２５８】
【図１】この発明の実施の形態１による結晶成長装置の概略断面図である。
【図２】図１に示す抑制／導入栓の斜視図である。
【図３】抑制／導入栓の配管への取付状態を示す平面図である。
【図４】図１に示す支持装置の拡大図である。
【図５】図１に示す上下機構の構成を示す概略図である。
【図６】振動検出信号のタイミングチャートである。
【図７】ＧａＮ結晶の結晶成長における窒素ガス圧と結晶成長温度との関係を示す図である。
【図８】反応容器および外部反応容器の温度のタイミングチャートである。
【図９】図８に示す２つのタイミングｔ１，ｔ２間における反応容器および外部反応容器内の状態を示す模式図である。
【図１０】図８に示す２つのタイミングｔ２，ｔ３間における坩堝および反応容器内の状態を示す模式図である。
【図１１】ＧａＮ結晶の製造方法を説明するための実施の形態１におけるフローチャートである。
【図１２】図１１に示すフローチャートのステップＳ４の詳細な動作を説明するためのフローチャートである。
【図１３】実施の形態１による結晶成長装置の他の概略断面図である。
【図１４】実施の形態２による結晶成長装置の概略断面図である。
【図１５】実施の形態２による結晶成長装置の他の概略断面図である。
【図１６】実施の形態２による結晶成長装置のさらに他の概略断面図である。
【図１７】実施の形態３による結晶成長装置の概略断面図である。
【図１８】実施の形態３による結晶成長装置の他の概略断面図である。
【図１９】実施の形態３による結晶成長装置のさらに他の概略断面図である。
【図２０】実施の形態３による結晶成長装置のさらに他の概略断面図である。
【図２１】実施の形態４による結晶成長装置の概略断面図である。
【図２２】ＧａＮ結晶の製造方法を説明するための実施の形態４におけるフローチャートである。
【図２３】この発明による抑制／導入栓の他の斜視図である。
【図２４】図２３に示す抑制／導入栓の固定方法を説明するための断面図である。
【図２５】この発明による抑制／導入栓のさらに他の斜視図である。
【符号の説明】
【０２５９】
１〜３  気液界面、４  窒素ガス、５  種結晶、６  ＧａＮ結晶、７  金属Ｎａ蒸気、１０  反応容器、２０  反応容器、２０Ａ  外周面、２０Ｂ  底面、２１  本体部、２２  蓋部、２３  空間、２４  支持部、３０  配管、３０Ａ  内壁、４０  ベローズ、５０，４００，４１０，４２０  抑制／導入栓、５１，４０１，４１１，４２１  栓、５２，４０２  凸部、５３  空隙、６０，７０  ヒーター、９０，１１０，３１０  ガス供給管、１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ，１００Ｆ，１００Ｇ，１００Ｈ，１００Ｉ  結晶成長装置、１２０，１２１，１６０，３２０，３４０  バルブ、１３０  圧力調整器、１４０  ガスボンベ、１５０，３３０  排気管、１７０  真空ポンプ、１８０，３５０  圧力センサー、１９０  金属融液、１９１  泡、２１０  支持装置、２１１  円柱部材、２１１Ａ  外周面、２１１Ｂ  底面、２１２，２１３  固定部材、２１４  空間部、２２０  上下機構、２２１，２３１  凹凸部材、２２２，２３２  歯車、２２３，２３３  軸部材、２２４，２３４  モータ、２２５，２３５  制御部、２２６，２２７  矢印、２３０  振動印加装置、２４０  振動検出装置、２５０〜２５２  詰め物、２９０  混合融液、２１１１  一方端。
【図１】
2007137732.tif 000003
【図２】
2007137732.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2007137732.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2007137732.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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